生物科學助力電動航空的未來

談到弄清楚電動飛機電池為何會隨著時間推移而損失電力，人們通常不會想到採用生物學家幾十年來用於研究生物體中組成部分的結構和功能的方法。然而，事實證明，組學——一個幫助科學家解開人類基因組秘密的領域——也可能很快在使無碳航空成為現實方面發揮關鍵作用。

在一篇發表在《焦耳》期刊上的新研究中，一個由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 領導的研究團隊使用了組學技術來研究電動飛機電池中陽極、陰極和電解質的複雜相互作用。最重要的發現之一是發現，混合到電池電解質中的某些鹽類在陰極顆粒上形成了一層保護層，使其更耐腐蝕，從而延長了電池壽命。

該研究團隊包括來自加州大學伯克利分校、密歇根大學以及行業合作夥伴 ABA（加利福尼亞州帕洛阿爾托）和 24M（馬薩諸塞州劍橋）的科學家，隨後設計並測試了一種使用其新型電解質溶液的電動飛機電池。與傳統電池相比，該電池在維持電動飛行所需的功率與能量比的循環次數上提高了四倍。該項目的下一步將是讓團隊製造足夠的電池（約 100 kWh 的總容量），用於預計在 2025 年進行的試飛。

「包括航空在內的重型運輸部門在電氣化方面尚未得到充分探索。」本研究的通訊作者、伯克利實驗室分子鑄造廠的高級科學家 Brett Helms 說。「我們的研究重新定義了可能性，突破了電池技術的界限，從而實現更深入的脫碳。」

電動航空帶來獨特的挑戰

與電動汽車電池（優先考慮長距離的持續能量）不同，電動飛機電池面臨著起飛和降落需要高功率，以及為了延長飛行時間而需要高能量密度的獨特挑戰。

「在電動汽車中，你關注的是隨著時間推移的容量衰減。」伯克利實驗室分子鑄造廠的博士後研究員、本研究的第一作者 Youngmin Ko 說。「但對於飛機來說，重要的是功率衰減——持續實現起飛和降落所需的高功率的能力。」

據 Ko 介紹，傳統的電池設計在這方面存在不足，主要原因是缺乏對電解質、陽極和陰極之間界面上發生情況的理解。Ko 說，這就是組學方法發揮作用的地方，這是一種從生物科學借鑒的方法，用於從複雜系統中化學特徵的變化中破譯模式。

「生物學家使用組學來研究基因表達和 DNA 結構之間的複雜關係。」Helms 說。「因此，我們想看看是否可以使用類似的方法來檢查電池組成部分的化學特徵，並找出導致功率衰減的反應以及這些反應發生的位置。」

研究人員將分析重點放在具有高壓、高密度層狀氧化物（含有鎳、錳和鈷）的鋰金屬電池上。與之前的研究（通常認為功率衰減問題是電池陽極中發生的某些現象造成的）相反，該團隊觀察到功率衰減主要源於陰極側。正是這裡的顆粒會隨著時間推移而破裂和腐蝕，阻礙電荷移動並降低電池效率。此外，研究人員發現，特定的電解質可以控制陰極界面的腐蝕速率。

「這是一個非顯而易見的結果。」Ko 說。「我們發現，在電解質中混合鹽類可以抑制典型反應性物質的反應性，從而形成一層穩定的、耐腐蝕的塗層。」

在開發出他們的新型電解質後，研究人員在一種高容量電池中對其進行了測試。它在使用電動垂直起降的現實任務中顯示出優異的功率保持能力。該團隊希望在年底之前，為四家 eVTOL（垂直起降）合作夥伴製造的飛機原型機生產出用於預計 2025 年飛行測試的電池。展望未來，Helms 和 Ko 表示，該團隊及其合作夥伴計劃擴大組學在電池研究中的應用，探索各種電解質組分的相互作用，以進一步了解和調整電池在交通和電網中當前和新興用例中的性能。

分子鑄造廠是伯克利實驗室的 DOE 科學辦公室用戶設施。

這項工作得到了 DOE 先進研究項目署-能源 (ARPA-E) 和 DOE 科學辦公室的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。